(57)【要約】【課題】鋼の焼戻し温度よりも低い成膜温度で、切削工具としての実用硬度、密着性、靱性および表面粗さを備えたバナジウム系被膜を被覆した切削工具、歯切工具又は鍛造工具を含むバナジウム系被覆工具を提供。【解決手段】高速度鋼、超硬合金のいずれかを母材質とし、イオンプレーティング法により作成される硬質被膜であって、すくなくとも１層以上の、その硬質被膜の成分がＶx （Ｃy Ｎ1-y ）1-x   ただしｘ、ｙはそれぞれＶ，Ｃ，Ｎの原子比で、０．３≦ｘ≦０．８，０≦ｙ≦１で示されるバナジウム系硬質被膜ａ層と、金属バナジウムおよび製造上不可避の不純物元素Ｏ，Ｃ，Ｎからなる金属バナジウム被膜ｂ層からなり、金属バナジウム被膜ｂ層が前記母材の表面上にあるバナジウム系被覆工具。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速度鋼、超硬合金のいずれかを母材質とし、イオンプレーティング法により作成されるＶＣＮ硬質被膜であって、その硬質被膜の成分がＶx （Ｃy Ｎ1-y ）1-x   ただしｘ、ｙはそれぞれＶ，Ｃ，Ｎの原子比で、０．３≦ｘ≦０．８，０≦ｙ≦１で示されるバナジウム系硬質被膜ａ層と、金属バナジウムおよび製造上不可避の不純物元素Ｏ，Ｃ，Ｎからなる金属バナジウム被膜ｂ層からなり、前記バナジウム被膜ｂ層が前記母材の表面上にあることを特徴とするバナジウム系被膜を被覆した切削工具、歯切工具又は鍛造工具を含むバナジウム系被覆工具。
【請求項２】
前記バナジウム系硬質被膜ａ層の膜厚が０．５〜１０μｍであり、金属バナジウム被膜ｂ層の膜厚が１０〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載のバナジウム系被覆工具。
【請求項３】
バナジウム又はバナジウムを含む化合物を蒸発源とする溶融蒸発式イオンプレーティング法を用いて前記各被膜を作製することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のバナジウム系被覆工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンプレーティング法を用いてバナジウム系被膜を作製することにより、鋼の焼戻し温度以下でなおかつ工具としての実用的な硬さ、密着性および面粗度等の良好なバナジウム系被膜の成膜を可能とした、バナジウム系被膜を被覆した切削工具、歯切工具又は鍛造工具を含むバナジウム系被覆工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、炭化バナジウム(VC)膜はプレス成形等の金型に耐摩耗性膜として施されてきた。そしてVC膜の形成方法は、例えば特許文献１に示すような、熱反応析出拡散法(TRD法：Thermal Reactive Deposition and Diffusion)が主流であった。しかし、上記TRD 法の場合、浴温を800 ℃〜1200℃とする必要があり、金属塑性加工用金型のような高い寸法精度が要求される鋼製品の場合不適であった。上記の問題点を解決するために、例えば特許文献２に示すような、バナジウム系被膜をアークイオンプレーティング法で金属塑性加工用金型に被覆する方法が提案され、一部実用化されてきた。
【特許文献１】特開昭49-118637 号
【特許文献２】特開2002-371352 号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら従来の特許文献２に示すような上記TRD 法の場合、金型や切削工具への適用では膜硬度が要求されるため被膜の高いＶＣ膜（ＨＶ３５００）を被覆することが望ましいが、ＶＣ膜は応力が高く、ＶＣ膜単体では金型や切削工具に適用した場合に十分な密着性を得ることができない。かかる欠点を克服するために特許文献２では基材側にＶＮ膜を被覆することを必要条件としている。耐摩耗という観点からは被膜厚さが厚い方が望ましいが、ＶＮ膜のコーティング膜厚が厚くなると、金型や工具の刃先などの形状物では図２に示す様に、母材１の突起部分３を被覆するＶＮ膜２がＲ形状４に変化し、特に母材１が工具の場合では切れ味が悪くなる。さらに、特許文献２に紹介されているアークイオンプレーティング法ではその製法上不可避な未反応金属ドロップレットにより表面粗さが増大し、高精度の金型に適用する際には表面をラップする等の処置が必要であった。さらに未反応金属ドロップレットは被膜中に欠陥として存在し、き裂の発生基点となりうるために被膜自身の強度を低下させ、被膜の耐久性を低下させる原因の一つとなっていた。また、電磁場やターゲット保持の関係から、原料の全体を使用することが困難であり、希少金属である金属バナジウムを用いた場合、歩留まりの点からも処理費用は高額とならざるを得ない。バナジウム系被膜は膜硬度が高い上に潤滑性に富み、切削工具や歯切工具への適用が期待されるが、アークイオンプレーティング法で被覆されたバナジウム系被膜被覆切削工具はドロップレット等により面粗さが悪く、被膜の欠陥を多数含むため期待された切削性能を得ることができなかった。
【０００４】
本発明の課題は、上記課題を解決するため、表面性状が良好で密着性の良いバナジウム系硬質被膜を被覆した切削工具、歯切工具又は鍛造工具を含むバナジウム系被覆工具を、基材形状再現性の良好な形態で、すなわち高温加熱による変形や膜厚増加による形状変化を抑制した状態で、提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このため本発明は、高速度鋼、超硬合金のいずれかを母材質とし、イオンプレーティング法により作成されるＶＣＮ硬質被膜であって、その硬質被膜の成分がＶx （Ｃy Ｎ1-y ）1-x   ただしｘ、ｙはそれぞれＶ，Ｃ，Ｎの原子比で、０．３≦ｘ≦０．８，０≦ｙ≦１で示されるバナジウム系硬質被膜ａ層と、金属バナジウムおよび製造上不可避の不純物元素Ｏ，Ｃ，Ｎからなる金属バナジウム被膜ｂ層からなり、前記バナジウム被膜ｂ層が前記母材の表面上にあることを特徴とするバナジウム系被膜を被覆した切削工具、歯切工具又は鍛造工具を含むバナジウム系被覆工具を提供することによって上記した従来方法の課題を解決した。
【発明の効果】
【０００６】
かかる構成により、本発明は金属バナジウム被膜ｂ層が前記母材の表面上の界面に薄く被覆処理することで、切削に耐えうる密着性を有するＶＣＮ被膜を得ることができた。金属バナジウム被膜ｂ層は、基材とバナジウム系硬質被膜ａ層であるＶＣＮ膜との密着性を改善する効果に加えてコーティング初期に真空装置内壁に付着することで真空装置内部の不純物ガスをゲッターポンプ作用によって除去する働きがある。これにより、表面性状が良好で密着性の良いバナジウム系硬質被膜を被覆した被覆切削工具、歯切工具又は鍛造工具を含むバナジウム系被覆工具を、基材形状再現性の良好な形態で、すなわち高温加熱による変形や膜厚増加による形状変化を抑制した状態で、提供するものとなった。
【０００７】
好ましくは、前記バナジウム系硬質被膜ａ層の膜厚が０．５〜１０μｍであり、金属バナジウム被膜ｂ層の膜厚が１０〜１００ｎｍである。バナジウム系硬質被膜ａ層の膜厚が０．５μｍ未満ではＶＣＮ硬質被膜としての効果が少なく、同膜厚が１０μｍを越えると図２に示すように金型や工具の刃先などの形状物では突起部分がＲ形状に変化し、特に工具では切れ味が悪くなるからである。また、金属バナジウム被膜ｂ層の膜厚が１０ｎｍ未満では密着性を改善する効果が少なく、１００ｎｍを越えると軟質被膜としての特性が発揮されるためこの請求範囲に限定した。
【０００８】
より好ましくは、バナジウム又はバナジウムを含む化合物を蒸発源とする溶融蒸発型イオンプレーティング法( 以下溶解法と略記する) を用いて前記各被膜を作製することにより、条件にもよるが、２μｍ／ｈ以上の高速成膜も可能であり、プラズマの反応領域がアークイオンプレーティング法よりも広く、アークイオンプレーティング法で存在する未反応金属（ドロップレット）は観察されない。このため、得られる被膜は非常に平滑な面が得られる。原料金属はその後の処理に再使用可能で、原料使用率は５０％を越える。さらに、溶解法では蒸発ターゲットの様に板状又は円盤状に加工した形状物を形成する必要が無く、固形物のままで使用できるため、原料コストはさらに下がり、原料金属はその後の処理に再使用可能で、原料使用率は５０％を越える。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明を実施するための最良の形態の一例を図１を参照して説明する。図１は本発明を実施するための最良の形態の一例であるバナジウム系硬質被膜を被覆する被覆装置（株式会社不二越製、型式ＳＳ−２−８型真空コーティング装置）の概略ブロック図を示す。
【００１０】
本発明を実施するための最良の形態は、高速度鋼、超硬合金のいずれかを母材質とし、イオンプレーティング法により作成される硬質被膜であって、その硬質被膜の成分がＶx （Ｃy Ｎ1-y ）1-x   ただしｘ、ｙはそれぞれＶ，Ｃ，Ｎの原子比で、０．３≦ｘ≦０．８，０≦ｙ≦１で示されるバナジウム系硬質被膜ａ層と、金属バナジウムおよび製造上不可避の不純物元素Ｏ，Ｃ，Ｎからなる金属バナジウム被膜ｂ層からなり、前記バナジウム被膜ｂ層が前記母材の表面上にあることを特徴とするバナジウム系被膜を被覆した切削工具、歯切工具又は鍛造工具を含むバナジウム系被覆工具である。
【００１１】
表面性状が良好で密着性の良いバナジウム系硬質被膜を被覆した切削工具、歯切工具又は鍛造工具を含むバナジウム系被覆工具を、基材形状再現性の良好な形態で、すなわち高温加熱による変形や膜厚増加による形状変化を抑制した状態で、提供する目的を達成するためには、欠陥の少ない被膜を成膜する方法によってＶＣＮ膜を得ることが必要とされる。被膜欠陥の少ない被膜を得る方法としては溶融蒸発型イオンプレーティング法（以降、溶解法という）、スパッターイオンプレーティング法が挙げられるが、スパッターイオンプレーティング法はアークイオンプレーティング法と同様に原料の全体を使用することが困難であり、かつ、成膜速度もアークイオンプレーティング法と比較して一般的に遅くなる。アークイオンプレーティング法で欠陥の少ない被膜を得る方法もいくつか提案されているが、スパッターイオンプレーティング法と同様に成膜速度が低下する。一方、溶解法では条件にもよるが、２μｍ／ｈ以上の高速成膜も可能であり、プラズマの反応領域がアークイオンプレーティング法よりも広く、アークイオンプレーティング法で存在する未反応金属（ドロップレット）は観察されない。このため、得られる被膜は後述の表２に示す様に非常に平滑な面が得られる。原料金属はその後の処理に再使用可能で、原料使用率は５０％を越える。さらに、溶解法では蒸発ターゲットの様に形状物を形成する必要が無いため、原料コストはさらに下がる。このように溶解法で成膜されるバナジウム系被膜は高精度金型に得した特性を持っているが、そのままでは基材に対する密着性が不十分である。この欠点を克服するために本発明者らはＶＣＮ膜と母材の界面に挿入する膜について鋭意研究を行った。
【００１２】
その結果、金属バナジウム被膜を界面に薄く被覆処理することで切削に耐えうる密着性を有するＶＣＮ被膜を得ることができた。金属バナジウム被膜は基材とＶＣＮ膜の密着性を改善する効果に加えてコーティング初期に真空装置内壁に付着することで真空装置内部の不純物ガスをゲッターポンプ作用によって除去する働きがある。この際の金属バナジウム被膜は１０ｎｍ未満では密着性を改善する効果が少なく、１００ｎｍを越えると軟質被膜としての特性が発揮されるためこの請求範囲に限定した。
〔実施例１〕高速度工具鋼（ＳＫＨ５１）のドリルを、図１に示す、ホローカソード(HCD) 式電子銃（ＥＢガン）５を持つ溶融蒸発型イオンプレーティング真空装置10に装着し、５×１０-3Ｐａ以下の圧力まで真空排気した後、電子照射加熱およびイオンボンバードを施した。その後、同じ真空装置10中でルツボ６に入れた金属バナジウム７を溶解原料としてアルゴンガス雰囲気中でＶ膜を所定時間被覆処理した後、図示しない装置により、１×１０-1Ｐａの窒素及び／又は炭化窒素ガスを導入して、０．５〜３．０μｍ／ｈの成膜速度で所定のＶＣＮ膜を成膜した。
【００１３】
VCN 膜を被覆したハイスドリルの切削試験結果を表1 に示す。従来例(TRD法、アーク法) と比較して大幅に性能が向上している。試験条件を以下に記す。
( ハイスドリル切削条件) 
工具：φ6 ハイスドリル
切削方法：穴あけ加工、各5 本切削
ドリル加工穴数：５本による貫通穴数の平均値
被削材：S50C( 硬さ210HB)
切削速度：40m/min 
送り：0.1mm/rev 
切削長さ：20mm( 貫通穴) 
切削油：無し
【００１４】
【表１】
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〔実施例２〕実施例１の条件で、表面をラップ（表面粗度 Ra ＜ 0.2μｍ）した高速度工具鋼（ＳＫＨ５１）上にＶＣ膜コーティング処理を施し、接触式の面粗さ計により、表面粗度 Ra を測定した。表２にＶＣ膜の表面粗度 Ra を計測した結果を示す。ＴＲＤ法、アーク法に比較して実施例では表面粗度Ｒｚが0.3 μｍ以下となり、面粗さが向上していることがわかる。
【００１５】
【表２】
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〔本発明の最良の実施形態の効果〕
【００１６】
本発明の最良の実施形態のかかる構成により、金属バナジウム被膜ｂ層が母材の表面上の界面に薄く被覆処理することで、切削に耐えうる密着性を有するＶＣＮ被膜を得ることができた。金属バナジウム被膜ｂ層は、基材とバナジウム系硬質被膜ａ層であるＶＣＮ膜との密着性を改善する効果に加えてコーティング初期に真空装置内壁に付着することで真空装置内部の不純物ガスをゲッターポンプ作用によって除去する働きがある。これにより、表面性状が良好で密着性の良いバナジウム系硬質被膜を被覆した被覆切削工具、歯切工具又は鍛造工具を含むバナジウム系被覆工具を、基材形状再現性の良好な形態で、すなわち高温加熱による変形や膜厚増加による形状変化を抑制した状態で、提供するものとなった。
【００１７】
好ましくは、前記バナジウム系硬質被膜ａ層の膜厚が０．５〜１０μｍであり、金属バナジウム被膜ｂ層の膜厚が１０〜１００ｎｍである。バナジウム系硬質被膜ａ層の膜厚が０．５μｍ未満ではＶＣＮ硬質被膜としての効果が少なく、同膜厚が１０μｍを越えると図２に示すように金型や工具の刃先などの形状物では突起部分がＲ形状に変化し、特に工具では切れ味が悪くなるからである。
【００１８】
より好ましくは、バナジウム又はバナジウムを含む化合物を蒸発源とする溶融蒸発式イオンプレーティング法を用いて前記各被膜を作製することにより、条件にもよるが、２μｍ／ｈ以上の高速成膜も可能であり、プラズマの反応領域がアークイオンプレーティング法よりも広く、アークイオンプレーティング法で存在する未反応金属（ドロップレット）は観察されない。このため、得られる被膜は非常に平滑な面が得られる。原料金属はその後の処理に再使用可能で、原料使用率は５０％を越える。さらに、溶解法では蒸発ターゲットの様に板状又は円盤状に加工した形状物を形成する必要が無く、固形物のままで使用できるため、原料コストはさらに下がり、原料金属はその後の処理に再使用可能で、原料使用率は５０％を越える。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明を実施するための最良の形態の一例であるバナジウム系硬質被膜を被覆する被覆装置（株式会社不二越製、型式ＳＳ−２−８型真空コーティング装置）の概略ブロック図を示す。
【図２】従来技術での、切削工具、歯切工具又は鍛造工具を含む形状物に厚い被膜をした場合の模式断面図。
【符号の説明】
【００２０】
10  溶融蒸発型イオンプレーティング真空装置
【図１】
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【図２】
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